跳频通信系统仿真

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摘 要：主要介绍了快跳频通信系统的工作原理，采用m序列作为伪随机序列，并用它来控制频率合成器产生跳频频率，在此基础上完成了一个完整的快跳频通信系统的设计方案，并采用Matlab中的Simulink软件对这个快跳频通信系统进行了仿真和分析。

关键词：快跳频通信； m序列； 扩频通信； 同步

中图分类号：

TN914.434； TP391

文献标识码：A

文章编号：1004373X(2012)05

0022

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Simulation of frequency hopping communication system

GAOBaohua， ZHANG Tao， ZHAO Yuangfang， AN Wen

(PLA Unit of 61618, Beijing 102102, China)

Abstract：

The principle of frequency hopping communication system is introduced. In the thesis, m sequence was adopted to control frequency synthesis to produce frequency, on this basis, an integrated scheme of fast frequency hopping system was designed, and Simulink in Matlab was adopted to simulate and analyze the progress of the FFH system.

Keywords：

fast frequency hopping communication； m sequence； spread spectrum communication； synchronization

收稿日期：20111021

0 引 言

跳频扩频的原理是使伪随机序列控制被数据调制的载波中心频率以一定的速率和顺序在一组频率中随机地跳动，接收端则以相应的速度和顺序接收并解调。在跳频系统中，跳频频率的选择是用伪随机码来实现的，且跳频通信的几十个甚至上千个频率由所传信息与伪随机码的组合进行控制。由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频点上停留的时间仅为毫秒或微秒级。

跳频通信系统的频率跳变速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳［1］。根据跳频速率的快慢，可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。快跳频是指一次发射信号期间有不止一个频率跳变，即跳频速率大于信息速率；反之称为慢跳频。慢跳频系统成本低，易实现，常用于各类民用系统，以提高通信质量和信道利用率［2］。快跳频系统与慢跳频系统相比，具有更强的抗干扰、抗截获和人为阻塞能力，在军事通信上具有极大的优越性。

1 跳频通信的工作原理

如图1所示，快跳频通信系统(FFH)是一个用户的载波频率按某种跳频图案(伪随机调频序列)在很宽的频带范围内跳变的通信系统。

信息信号经过波形调制(信息调制)后，送入载波调制。载波由跳变序列(伪随机序列)控制跳变频率合成器来产生，其频率随跳频序列的值的改变而改变，因此，载波首先被跳变序列调制，称作跳频调制。频率合成器受跳频序列控制，当跳频序列值改变一次时，载波频率跳变一次。信号经过载波调制后形成跳频信号［3］。

在发送端，跳频调制采用伪随机码序列和多进制频移键控相结合的方式，即在发送端采用一个伪随机发生器产生一个伪随机序列，用它去控制频率合成器的输出频率，使之按伪随机方式从2n－1个频率的集合中选取发送频率，这样得到的信号就是跳频信号。

在接收端，为了解调出跳频信号，需要一组与发送端相同的本地伪随机序列发生器，去控制本地频率合成器，产生一列与发射信号差一个中频频率的跳频信号，且速率相同、起止一致。这样，跳频信号在混频器中与接收信号差频出一个不跳变的中频解跳信号，在经中频窄带滤波器后，把不需要的干扰抑制掉，再由信息解调器恢复出有用的原始数据，从而实现了快跳频通信。

2 快速跳频通信系统的Simulink仿真

Simulink是Matlab中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，使用Simulink可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，并且仿真结果可以近乎“实时”地通过可视化模块，如示波器模块等显示出来，使得系统仿真工作大为方便［2］，同时，Simulink使得用户可以用鼠标操作将一系列可视化模块连接起来，避免了编写Matlab仿真程序，简化了仿真建模过程。

仿真设计中，在首先设计好的2FSK的调制与解调基础上，再把设计的快跳频子系统模块添加上去，经过进一步的调试，最终确定。快跳频通信系统的仿真结构图如图2,图3所示。

在图2中可以看到，该快跳频通信系统按功能可以划分为五个部分：信号生成部分、发送部分、跳频调制部分、接收部分和判决部分。

信号生成部分是利用随机整数信号发生器(Randominteger Generator)来产生，该模块的作用是产生二进制随机序列信号，采样时间设为1，即1 s产生一个码元。它产生的是频率为1 Hz的二进制随机信号［45］。

由信源产生的二进制随机信号先通过频率键控来产生一个2FSK信号(发送“1” 所用的载波频率为f1=1 Hz；发送“0”所用的载波频率为f2=3 Hz)，在进行跳频调制时，如图4的跳频子系统，把跳频子系统模块产生的信号与产生的2FSK信号进行相乘(即跳频调制)，然后把跳频调制信号经过信道发送出去。为了仿真的真实性，信道是叠加有加性高斯白噪声的信道。

在接收端首先进行解跳，即用跳频子系统模块产生的跳频信号与经过信道后接收的跳频调制信号进行乘法运算，得到的是跳频解调信号。接着进行2FSK的相干解调，仿真结构框图如图5所示。图中的两个带通滤波器分别滤出频率为f1及f2的信号，它们的输出分别与相应的相干载波相乘，再分别经过低通滤波器提取出含有基带数字信息的低频信号。

对解调信号的判决，是通过对上下两支路的低频信号进行比较来作出判决的。该判决部分由常数发生器、一个比较器以及误码率计算部分构成。比较器将码元的相关峰值与门限值比较，若相关峰大于门限则该码元判为“1”，其余的均判为“0”。设上支路信号为X1(t)，下支路信号为X2(t)，当X1(t)大于X2(t)时，判为“1”；当X1(t)小于X2(t)时，则判为“0”。

误码率的计算过程是由一个误码仪来实现的。它将发送端的信息码元经过一定延迟后与接收端恢复出的码元进行比较，若两者不同则认为码元传输错误，最后将误码个数除以总的传输码元个数，即得到误码率。在图2中的误码率计算部分，上面的输入信号是发送端的原始信息，下面的输入信号是接收端恢复出的信号，送入误码仪以后完成比较、统计和图形用户界面的生成。从误码率计算的显示模块可以看到该快跳频通信系统的误码率为0.05。

快跳频通信是指频率的跳变速度大于信息传输速率的通信系统。在本次设计中，为了便于观察各点信号，特设信息的传输速率为1 b/s，频率的跳变速度为2 h/s。在跳频子系统中， 跳频信号的产生过程：PN Sepuence Generator产生采样周期为0.5，周期为15个码元的m序列。通过Buffer将单列的二进制序列编排为2列二进制数，通过Bit to Integer Converter后变为整数。通过初值设为2的Unbuffer及ZeroOrder Hold(采样时间设为0.1)后，伪随机序列发生器产生的二进制序列变成了与之相应的整数，馈送到VCO的控制输入端。

上面只是简单地介绍了跳频系统的各个仿真模块，在实验中各个模块的信号良好，充分验证了跳频系统仿真模块的正确性。因为篇幅等原因，这里没有把各个节点处的信号图贴出来，只是简单地介绍了一下跳频系统的Simulink仿真结构图。

3 结 语

本文主要对快速跳频通信进行了仿真研究，并对快速跳频系统的基本模块和关键模块进行了分析和仿真，在接收端，经过解跳、相干解调后，进行判决恢复,试验中恢复的信号基本正确。当然，由于系统中叠加有噪声，各种滤波器的设计存在一定的缺陷使得滤波特性不理想，以及仿真图中有些部件的参数设置存在误差等原因，在最终的判决恢复时，使得恢复序列存在一些误码。这也是这次快跳频通信系统仿真设计中需要进一步完善的地方。

参 考 文 献

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［8］曾一凡，李晖．扩频通信原理［M］．北京:机械工业出版社，2005．

作者简介：

高宝华 男，1986年出生，江苏连云港人，工学硕士。主要研究方向为测试计量技术、信号处理。

(上接第21页)

参 考 文 献

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［11］贾宏燕，高劲松.双屏频率选择表面中间电介质层对传输特性的影响规律［J］.中国电子科学研究院学报，2007(2):593596.

作者简介：

胡晓晴 女，1987年出生，河南商丘人，硕士研究生。主要研究领域为频率选择表面的设计、隐身天线罩的电气性能研等。

夏同生 男，副教授，硕士生导师。主要研究方向为纳米器件、微纳米尺度下的量子输运研究、集成电路的设计等。

唐光明 男，博士研究生。主要研究方向为频率选择表面的电磁计算等。

董金明 男，教授，博士生导师。长期从事隐身天线罩及频率选择表面的设计，同时对数字信号处理和硬件设计方面均有深入的研究。